In uno scenario noto e ben compreso, l'accoppiamento è causato esclusivamente dall'attrazione tra due fermioni (linee verdi). Però, Gli scienziati di Heidelberg hanno scoperto che con forti interazioni tra i fermioni, avviene un diverso tipo di abbinamento, che dipende fortemente dalla densità del mezzo circostante (regioni ombreggiate in grigio). Ciò suggerisce che in questo stato, ogni particella non è solo accoppiata con un'altra particella, ma che ci sono correlazioni aggiuntive con altre particelle nei suoi dintorni. Credito:Puneet Murthy
Usando atomi ultrafreddi, i ricercatori dell'Università di Heidelberg hanno scoperto uno stato esotico della materia in cui le particelle costituenti si accoppiano quando sono limitate a due dimensioni. Le scoperte nel campo della fisica quantistica possono contenere importanti indizi su intriganti fenomeni di superconduttività. I risultati sono stati pubblicati in Scienza .
I superconduttori sono materiali attraverso i quali l'elettricità può fluire senza alcuna resistenza una volta raffreddati al di sotto di una certa temperatura critica. La classe di materiali tecnologicamente più rilevante, con temperature critiche eccezionalmente elevate per la superconduttività, è finora poco compreso. ci sono prove, però, che affinché si verifichi la superconduttività, un certo tipo di particelle – i fermioni – devono accoppiarsi. Inoltre, la ricerca ha dimostrato che i materiali che diventano superconduttori a temperature relativamente elevate hanno strutture a strati. "Ciò significa che gli elettroni in questi sistemi possono muoversi solo su piani bidimensionali", spiega il Prof. Dr. Selim Jochim dell'Istituto di Fisica dell'Università di Heidelberg, chi dirige il progetto. "Ciò che non abbiamo capito fino ad ora è come l'interazione tra accoppiamento e dimensionalità possa portare a temperature critiche più elevate".
Per esplorare questa domanda, i ricercatori del Center for Quantum Dynamics hanno eseguito esperimenti in cui hanno confinato un gas di atomi ultrafreddi in trappole bidimensionali che hanno creato utilizzando raggi laser focalizzati. "Nei materiali allo stato solido come gli ossidi di rame, ci sono molti effetti e impurità differenti che rendono questi materiali difficili da studiare. Ecco perché utilizziamo atomi ultrafreddi per simulare il comportamento degli elettroni nei solidi. Questo ci permette di creare campioni molto puliti e ci dà il pieno controllo sui parametri essenziali del sistema", dice Puneet Murthy, un dottorato di ricerca studente presso il Center for Quantum Dynamics dell'Università di Heidelberg e uno degli autori principali di questa pubblicazione.
Utilizzando una tecnica nota come spettroscopia a radiofrequenza, i ricercatori hanno misurato la risposta degli atomi a un impulso di onde radio. Da questa risposta, potevano dire esattamente se le particelle erano accoppiate o meno e in che modo. Queste misurazioni sono state eseguite anche per diversi punti di forza dell'interazione tra fermioni. Nel corso degli esperimenti, i ricercatori hanno scoperto uno stato esotico della materia. La teoria afferma che i fermioni con un'interazione debole dovrebbero accoppiarsi alla temperatura alla quale diventano superconduttori. Però, quando gli scienziati hanno aumentato l'interazione tra i fermioni, hanno scoperto che l'accoppiamento si è verificato a temperature diverse volte superiori alla temperatura critica.
"Per raggiungere il nostro obiettivo finale di comprendere meglio questi fenomeni, inizieremo con piccoli sistemi che mettiamo insieme atomo per atomo", dice il prof. Jochim.
